DE10163970B4 - Low-wear workpiece surface and method for its production - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung von verschleißarmen Werkstückflächen, insbesondere von fluidgeschmierten Leichtmetall-Zylinderflächen von Kolben-Kraft- und Arbeitsmaschinen mit einer im Wesentlichen glatten Oberfläche, in der über die Oberfläche (12) singulär verteilt gegenüber einem Leichtmetall-Basismaterial (21) härtere Stellen (13) vorgesehen sind, die ggf. über das Basismaterial (21) vorstehen, dadurch gekennzeichnet, dass die härteren Stellen (13) durch auf sie ausgerichtete Änderungen der intermetallischen Struktur des Basismaterials (21) erzeugt werden, wobei der Flächenanteil der auf der Oberfläche (12) vorgesehenen Stellen (13) im Vergleich zu der restlichen Oberfläche 5% bis 50% beträgt.Method for producing low-wear workpiece surfaces, in particular of fluid-lubricated light-metal cylindrical surfaces of piston-power and work machines with a substantially smooth surface, in which over the surface (12) singularly distributed over a light metal base material (21) harder points (13) are provided, possibly over the base material (21) protrude, characterized in that the harder points (13) are generated by aligned to them changes in the intermetallic structure of the base material (21), wherein the surface portion of the surface (12) (13) is 5% to 50% compared to the rest of the surface.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von verschleißarmen Werkstückflächen, insbesondere von fluidgeschmierten Leichtmetall-Zylinderflächen von Kolben-Kraft- und Arbeitsmaschinen mit einer im wesentlichen glatten Oberfläche und eine solche verschleißarme Werkstückfläche. In ihr sind über die Oberfläche singulär verteilt gegenüber einem Leichtmetall-Basismaterial härtere Stellen vorgesehen, die gegebenenfalls über das Grundmaterial vorstehen.The The invention relates to a method for producing low-wear workpiece surfaces, in particular of fluid lubricated light metal cylinder surfaces of piston force and Work machines with a substantially smooth surface and a such wear-resistant Workpiece surface. In you are over the surface unique distributed over one Alloy base material harder Provided places that protrude over the base material if necessary.

Die Gestaltung der Oberfläche von Kolbenlaufbahnen, insbesondere von Verbrennungsmotoren, ist einer der Kernpunkte der Motorenentwicklung. Sie ist weitgehend mit bestimmend für das Verschleißverhalten und damit die Standzeit des Motors, seine Reibung und damit die Leistung und vor allem auch den Ölverbrauch. Durch das sogenannte Plateauhonen sind schon erhebliche Fortschritte gemacht worden. Dabei wird eine grob vorgehonte Oberfläche so nachgehont, dass zwischen den tieferen Riefen, die der Öl haltung dienen, relativ glatte Plateaus geschaffen werden, die die Verschleißarmut und den energiesparenden Lauf ermöglichen, sowie das Einlaufverhalten des Motors und den Öl-verbrauch verbessern.The Design of the surface of piston liners, in particular internal combustion engines, is one of the key points of engine development. It is largely with determining for the wear behavior and thus the life of the engine, its friction and thus the Performance and, above all, oil consumption. By the so-called Plateauhonen are already considerable progress been made. A coarsely pre-honed surface is re-honed that between the deeper grooves serving the oil attitude, relatively smooth plateaus be created, the low-wear and energy-saving Allow running, as well as the running-in behavior of the engine and the oil consumption.

Es ist auch schon versucht worden, Kolbenlaufbahnen mittels Laserstrahls zu bearbeiten, der flächig auf die zu bearbeitende Oberfläche gerichtet ist. Dies soll bei Zylinderblöcken aus Gusseisen, die beim Honen ggf überdeckten Lamellen zur Erzeugung von Notlaufeigenschaften frei liegen ( DE 42 17 530 A1 ). Es ist ferner schon bekannt geworden, Werkstückoberflächen mittels Laserstrahls zu bearbeiten, um Riefen/Lochstrukturen zu erzeugen ( DE 43 16012 C2 ).It has also been tried to machine piston raceways by means of a laser beam, which is directed flat on the surface to be machined. This shall be disclosed in the case of cylinder blocks made of cast iron, which are exposed during honing possibly overlapped lamellae for generating emergency running properties ( DE 42 17 530 A1 ). It has also been known to process workpiece surfaces by means of a laser beam in order to produce grooves / hole structures ( DE 43 16012 C2 ).

Zylinderflächen, die aus Leichtmetallen hergestellt sind, werden in ihrer Verschleißfestigkeit verbessert, indem sie z. B. aus übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierungen hergestellt sind, bei denen die entstehenden Silizium-Kristalle in dem weicheren Basiswerkstoff eingebettet sind. Diese Kristalle werden durch verschiedene Verfahren freigelegt, so dass sie etwas über die Oberfläche des Basiswerkstoffs vorstehen, z. B. durch Bürsten ( EP 0 348 608 A1 (KADIA). Es sind auch schon andere Verfahren zur Freilegung dieser Silizium-Kristalle in Werkstoffen, wie ALUSIL, DURALCAN oder LOCASIL (Markennamen) bekannt geworden, beispielsweise durch Honen oder Ätzen. Dies ist im dem Artikel ”Moderne Leichtmetallwerkstoffe für den Motorenbau und deren Endbearbeitung durch Honen” von Josef Schmid in MTZ Motortechnische Zeitschrift, Heft 4, 1998, Friedrich Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Wiesbaden, beschrieben.Cylindrical surfaces made of light metals are improved in their wear resistance, for. B. are made of hypereutectic aluminum-silicon alloys in which the resulting silicon crystals are embedded in the softer base material. These crystals are exposed by various methods so that they project slightly beyond the surface of the base material, e.g. B. by brushing ( EP 0 348 608 A1 (KADIA). Other methods of exposing these silicon crystals to materials such as ALUSIL, DURALCAN or LOCASIL (trade names) have also become known, for example by honing or etching. This is described in the article "Modern light metal materials for engine construction and their finishing by honing" by Josef Schmid in MTZ Motortechnische Zeitschrift, Issue 4, 1998, Friedrich Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Wiesbaden.

Die japanische Patentanmeldung JP 62-133016 A beschreibt ein Härtungsverfahren für eine Gleitoberfläche. Dabei werden Stahloberflächen zum Zwecke der Verbesserung der Schmierfähigkeit und zur Verbesserung des Verschleißwiderstandes punktuell mittels Laser bestrahlt. An den bestrahlten Stellen führt dies zu einer martensitischen Umwandlung des Stahlwerkstoffs. Dadurch wird einerseits eine lokale Härtung erreicht und andererseits bilden sich an den bestrahlten Stellen aufgrund der Volumenexpansion bei der Phasenumwandlung kleine Erhebungen, die über das Stahl-Grundmaterial vorstehen.The Japanese patent application JP 62-133016A describes a curing process for a sliding surface. In this case, steel surfaces are selectively irradiated by means of laser for the purpose of improving the lubricity and to improve the wear resistance. At the irradiated points, this leads to a martensitic transformation of the steel material. As a result, on the one hand a local hardening is achieved and on the other hand small elevations are formed at the irradiated points due to the volume expansion in the phase transformation, which project beyond the steel base material.

Aus der Offenlegungsschrift DE 29 37 108 A1 ist ein Verfahren zur Vergütung von Gleitlegierungen, insbesondere von Gleitlagerlegierungen, bekannt. Bei dem Verfahren wird die Gleitlegierung durch einen oder mehrere stark konzentrierte Energie- oder Hitzestrahler einer örtlich fortschreitenden, punktförmigen Schmelzung unterzogen, wobei der konzentrierte Energie- oder Hitzstrahl nach und nach über die gesamte Oberfläche der Gleitlegierung wandert und für eine gute Wärmeableitung an jedem einzelnen von dem Energie- oder Hitzestrahl verlassenen Punkt der Gleitlegierung gesorgt ist.From the publication DE 29 37 108 A1 is a method for the remuneration of sliding alloys, in particular of plain bearing alloys, known. In the method, the sliding alloy is subjected to a localized, point-like fusion by means of one or more highly concentrated energy or heat radiators, the concentrated energy or heat beam gradually migrating over the entire surface of the sliding alloy and for good heat dissipation at each of the energy or heat ray abandoned point of the sliding alloy is taken care of.

Die Offenlegungsschrift DE 40 40 436 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Verschleißschutzschichten auf Zylinderlaufflächen aus Leichtmetalllegierungen. Dabei wird mittels Hochenergiestrahlen die gesamte Zylinderlauffläche einer Phasenumwandlung fest-flüssig-fest unterworfen. Danach erfolgt eine mechanische Feinbearbeitung. Bei einer Verfahrensvariante wird die Zylinderlauffläche vor der Phasenumwandlung galvanisch oder anderweitig mit Nickel beschichtet, so dass parallel zur Phasenumwandlung eine Legierung der gesamten Oberfläche mit Nickel erfolgen kann.The publication DE 40 40 436 A1 describes a method for producing wear protection layers on cylinder surfaces made of light metal alloys. In this case, the entire cylinder surface of a phase transformation is solid-liquid-solid subjected by means of high energy beams. This is followed by a mechanical fine machining. In a variant of the method, the cylinder surface is galvanically or otherwise coated with nickel before the phase transformation, so that an alloy of the entire surface with nickel can take place in parallel to the phase transformation.

Aufgabe und LösungTask and solution

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Leichtmetall-Zylinderlauffläche zu schaffen, die ein verbessertes Verschleißverhalten hat.task the invention is to provide a light metal cylinder surface, the improved wear behavior Has.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass die härteren Stellen durch auf sie ausgerichtete Änderungen der intermetallischen Struktur des Leichtmetall-Basismaterials erzeugt werden, wobei der Flächenanteil der auf der Oberfläche vorgesehenen Stellen im Vergleich zu der restlichen Oberfläche 5% bis 50% beträgt. Die Zunahme der Härte gegenüber dem Basismaterial sollte gemessen in Vickers, um mehr den Faktor 1,5, bevorzugt 3, gesteigert werden.These Task is according to the invention solved by that the harder ones Adjustment by changes in the intermetallic structure of the light metal base material are generated, the area fraction the on the surface envisaged places compared to the remaining surface 5% up 50%. The increase in hardness across from The base material should be measured in Vickers to be more the factor 1.5, preferably 3, be increased.

Dies kann dadurch geschehen, dass die härteren Stellen durch punktuelle Erwärmung des Basismaterials, z. B. durch einen Laserstrahl, erzeugt werden. Diese Stellen kühlen sich dann relativ schnell ab, so dass sie eine punktuelle Härtung erzeugen.This can be done by the harder spots by selective heating of the base material, eg. B. by a laser beam generated. These places then cool relatively quickly so that they produce a selective hardening.

In der deutschen Patentanmeldung 101 31 703 der Anmelderin ist ein Verfahren beschrieben, mit dem mittels eines Laserstrahls z. B. ringförmige Löcher in einer solchen Werkstückfläche erzeugt werden können, in deren Mitte ein ”Stempel” stehen bleibt. Durch entsprechende Wahl der Temperaturen und Werkstoffe kann auch hier um die durch Verdampfen des Materials entstehenden Ringrillen herum ein gehärterter Bereich erzeugt werden.In the German patent application 101 31 703 the applicant is a method described by means of a laser beam z. B. annular holes can be produced in such a workpiece surface, in the middle of a "punch" stops. By appropriate choice of the temperatures and materials, a hardened region can also be produced around the annular grooves formed by vaporization of the material.

Bei der punktuellen Erwärmung kann ein Aufschmelzen eintreten, so dass die Härtung durch Abkühlung aus der Schmelze erfolgt.at the selective warming Melting can occur, so that hardening by cooling off the melt takes place.

Besonders bevorzugt ist, dass die Stellen größerer Härte mittels eines Zusatzmaterials erzeugt werden, das auf das Basismaterial aufgebracht wird und durch kurzzeitige Erwärmung eine intermetallische Phase mit dem Basismaterial bildet, beispielsweise durch Einlegierung des Zusatzmaterials in das Basismaterial.Especially it is preferred that the sites of greater hardness by means of an additional material produced, which is applied to the base material and through short-term warming forms an intermetallic phase with the base material, for example by alloying the additional material in the base material.

Dazu sind wiederum mehrere Verfahren möglich, nämlich einerseits das Basismaterial, beispielsweise durch Siebdruck, Tampondruck o. dgl. an den zu härtenden Stellen punktuell aufzubringen und dann die gesamte Werkstückoberfläche, beispielsweise mit einem flächenüberstreichenden Laserstrahl, zur Bildung der intermetallischen Phase zu erwärmen oder das Zusatzmaterial großflächig auf die Werkstückfläche aufzubringen und dann die Erwärmung nur punktuell vorzunehmen. Im Zusammenhang mit der Erfindung soll der Ausdruck „punktuell” bedeuten, dass es sich um relativ kleine Flächenbereiche handelt, die aber nicht unbedingt als „runder Punkt” vorliegen müssen, sondern beliebige Formen haben können, beispielsweise auch Ringstrukturen, Sterne oder ähnliches. Die so erzeugten Stellen sollen jedoch von dem übrigen Material klar abgegrenzt sein und singulär verteilt auf der Werkstückoberfläche vorliegen, d. h., dass die einzelnen Stellen nicht unmittelbar aneinander angrenzen, sondern in erheblichem Abstand voneinander einzeln vorliegen. Die Verteilung kann dabei stochastisch, d. h. willkürlich, sein.To Again, several methods are possible, namely on the one hand, the base material, For example, by screen printing, pad printing o. The like. To be cured Apply spots selectively and then the entire workpiece surface, for example with a surface-crossing Laser beam, to heat the formation of the intermetallic phase or the additional material on a large area to apply the workpiece surface and then the warming to be made only occasionally. In connection with the invention is intended the term "punctiform" means that they are relatively small surface areas, but not necessarily as a "round point" available have to, but can have any shapes, For example, ring structures, stars or the like. The so produced However, bodies should be different from the rest Be clearly demarcated and singularly distributed on the workpiece surface, d. h. that the individual sites are not directly adjacent to each other, but individually present at a considerable distance from each other. The Distribution can be stochastic, d. H. to be arbitrary.

Die Aufbringung des Zusatzmaterials erfolgt zumeist in Pulverform, das beispielsweise als Paste aufgebracht wird und kann bevorzugt in Form von Metallhydriden zur Verhinderung von Oxidationserscheinungen erfolgen. Als Zusatzmaterial können Metalle wie Kupfer, Nickel, Eisen, Silizium verwendet werden. Bevorzugt ist jedoch Titan wegen der besseren Korrosionsbeständigkeit in Verbindung mit einem Basiswerkstoff auf der Grundlage von Aluminium oder Magnesium. Bei einigen Materialen empfiehlt es sich, die Erwärmung unter Schutzgas vorzunehmen, um Oxidationsvorgänge zu vermeiden.The Application of the additional material is usually in powder form, the for example, is applied as a paste and may be preferred in Form of metal hydrides to prevent oxidation phenomena respectively. As additional material metals can such as copper, nickel, iron, silicon are used. Prefers However, titanium is because of better corrosion resistance in connection with a base material based on aluminum or Magnesium. For some materials, it is recommended that the heating under Apply inert gas to avoid oxidation processes.

Durch eine Bildung von harten intermetallischen Phasen in Form einer Einlegierung in den Grundwerkstoff entsteht eine feste metallische Verbindung dort hin. Die Umwandlungs- bzw. Legierungszone sollte in das Grundmaterial hineinreichen und eine Mindeststärke von 2 μm haben. Sie kann aber auch erheblich dicker sein und bis zu einem Millimeter in das Grundmaterial hineinreichen.By a formation of hard intermetallic phases in the form of an alloy A solid metallic compound is formed in the base material there. The conversion or alloy zone should be in the base material extend and a minimum strength of 2 μm to have. But it can also be considerably thicker and up to one Extend millimeter into the base material.

Die gehärteten Stellen können dadurch freigelegt und als verschleißfeste tragende Struktur verwendet werden, wenn das Basismaterial um diese Stellen herum zurückgesetzt wird, beispielsweise durch mechanisches oder chemisches Abtragen, wie Honen, Bürsten, Ätzen oder eine Strahlbehandlung, z. B. mit Hartpartikeln o. dgl.. Überschüssiges, nicht mit dem Basismaterial in intermetallischer Verbindung stehendes Zusatzmaterial, das gegenüber den harten Stellen besonders weich ist, wird dabei mit abgetragen. Bei dem Abtragen werden die härteren Stellen gleichzeitig geglättet, wenn man beispielsweise eine Honbearbeitung dafür verwendet.The hardened Can place thereby exposed and used as a wear-resistant supporting structure when the base material is reset around these locations is, for example, by mechanical or chemical removal, like honing, brushing, etching or a blast treatment, z. B. with hard particles o. The like. Excess, not intermetallically related to the base material Additional material, opposite The hard areas are particularly soft, is thereby removed. When removing the harder places smoothed out at the same time, for example, if you use honing for it.

Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher erläutert.These and other features go out the claims also from the description and the drawings, wherein the individual features each for alone or in the form of subcombinations an embodiment of the Invention and other fields be realized and advantageous also for protectable versions can represent for the protection is claimed here. Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are explained in more detail below.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden erläutert. Es zeigen:embodiments The invention are illustrated in the drawing and are explained below. It demonstrate:

1 eine schematische perspektivische Draufsicht auf eine Werkstückfläche mit gegenüber dem Basismaterial härteren Stellen, 1 a schematic perspective top view of a workpiece surface with respect to the base material harder points,

2 eine Stelle in einer Version mit einer Ringrinne in starker Vergrößerung, 2 a passage in a version with an annular groove in high magnification,

3 die Aufbringung eines Zusatzmaterials auf das Basismaterial im schematischen Detailschnitt, 3 the application of an additional material to the base material in a schematic detail section,

4 das Werkstück nach 3 nach Bildung der intermetallischen Verbindung, 4 the workpiece after 3 after formation of the intermetallic compound,

5 eine 3 entsprechende Darstellung mit durchgehender Aufbringung eines Zusatzmaterials, 5 a 3 corresponding representation with continuous application of an additional material,

6 das Werkstück nach 5 nach Bildung der intermetallischen Phasen und 6 the workpiece after 5 after Bil tion of the intermetallic phases and

7 das Werkstück nach 5 und 6 nach einer abtragenden Behandlung. 7 the workpiece after 5 and 6 after an erosive treatment.

1 zeigt vergrößert einen Ausschnitt eines Werkstücks 11, beispielsweise einem aus Leichtmetall oder Leichtmetalllegierungen, wie Aluminium, Magnesium o. dgl. bestehenden Arbeitszylinder einer Kolbenmaschine, wie eines Benzin- oder Dieselmotors. Die die Kolbenlauffläche bildende Oberfläche 12 des Werkstücks 11 ist durch übliche Bearbeitungsvorgänge, wie Honen, bis zu einer recht hohen Oberflächengüte und geringen Rauhtiefe bearbeitet, z. B. zu einer Rauhtiefe zwischen 0,5 μm und 4 μm, bevorzugt bei 2 μm. 1 shows enlarged a section of a workpiece 11 , For example, one of light metal or light alloys, such as aluminum, magnesium o. The like. Existing cylinder of a piston engine, such as a gasoline or diesel engine. The piston running surface forming surface 12 of the workpiece 11 is processed by conventional machining operations, such as honing, up to a fairly high surface quality and low surface roughness, z. B. to a roughness depth between 0.5 .mu.m and 4 .mu.m, preferably at 2 microns.

In dieser Oberfläche 12 sind, stochastisch, d. h. unregelmäßig verteilt, Stellen 13 größerer Härte enthalten. Diese Stellen können im wesentlichen kreisrund sein, jedoch auch andere Formen haben, beispielsweise langgestreckte, ring- oder sternförmige Strukturen umfassen etc. Sie sind auf der Oberfläche singulär, d. h. voneinander beabstandet, vorgesehen. Ihre Abmessungen, z. B. bei einer runden Stelle der Durchmesser, sind relativ klein und können vorzugsweise zwischen 2 μm und 1 mm, besonders bevorzugt zwischen 5 μm und 200 μm betragen.In this surface 12 are, stochastisch, that is distributed irregularly, places 13 greater hardness included. These sites may be substantially circular, but may have other shapes, such as elongated, ring or star-shaped structures, etc. They are singular on the surface, ie, spaced apart. Their dimensions, z. B. at a round point of the diameter are relatively small and may preferably be between 2 microns and 1 mm, more preferably between 5 microns and 200 microns.

Die durchschnittliche Distanz d zwischen den Stellen 13 sollte in jedem Falle größer sein als deren Abmessungen a. Sie ergibt sich auch aus dem bevorzugten Flächenanteil der Oberflächen der Stellen 13, verglichen mit der restlichen Oberfläche 12 von 5% bis 50%, insbesondere 10% bis 30%.The average distance d between the bodies 13 should in any case be larger than their dimensions a. It also results from the preferred area ratio of the surfaces of the bodies 13 , compared to the rest of the surface 12 from 5% to 50%, especially 10% to 30%.

Aufgrund des im folgenden noch beschriebenen Herstellungsverfahrens sind die Stellen auch nicht scharf begrenzt, sondern gehen mit einem Übergangsbereich in das den größten Teil der Oberfläche 12 bildende Basismaterial 21 über.Due to the manufacturing method described below, the points are not sharply defined, but go with a transition region in the most of the surface 12 forming base material 21 above.

Die härteren Stellen 13 werden dadurch erzeugt, dass die Oberfläche 12 des Basismaterials 21 punktuell mit einem Laserstrahl behandelt wird, der im wesentlichen der Größe a der Stellen 13 entspricht. Dadurch wird das Material stark erwärmt, vorzugsweise aufgeschmolzen, in 1 jedoch, ohne zu verdampfen. Aufgrund der geringen Größe der Stellen, ihres Abstandes voneinander, der Erwärmung nur an der Oberfläche, die für eine relativ geringe Eindringtiefe sorgt, und der guten Wärmeleitfähigkeit des Basismaterials kühlen diese Stellen nach der Abschaltung des Laserstrahls sehr schnell ab, so dass eine Änderung der intermetallischen Struktur des Basismaterials erzeugt wird, die zu einer größeren Härte führt als die der Basismaterial-Oberfläche. Aufgrund der geringen Größe und Isoliertheit der Stellen spielen jedoch beim Härten sonst mögliche Verzugserscheinungen, Oberflächenveränderungen sowie eine eventuell größere Sprödigkeit des gehärteten Werkstoffs, was z. B. zu Rissen führen könnte, keine Rolle.The harder places 13 are generated by the fact that the surface 12 of the base material 21 is selectively treated with a laser beam, which is substantially the size a of the bodies 13 equivalent. As a result, the material is strongly heated, preferably melted, in 1 however, without evaporating. Due to the small size of the sites, their distance from each other, the heating only on the surface, which ensures a relatively low penetration depth, and the good thermal conductivity of the base material, these sites cool down very quickly after the shutdown of the laser beam, so that a change in the intermetallic Structure of the base material is produced, which leads to a greater hardness than that of the base material surface. Due to the small size and isolation of the bodies, however, otherwise possible distortion phenomena, surface changes and possibly greater brittleness of the hardened material during hardening occur, which may occur, for example. B. could lead to cracks, no matter.

Beim Werkstoff ist darauf zu achten, dass härtbare Leichtmetalllegierungen, auch Titan, verwendet werden. Zur Erzeugung des Laserstrahls kann ein gepulster Laser Verwendung finden, dessen Strahl auf die gewünschte Größe a der Stellen eingestellt ist und der nach einem vorgegebenen Programm, beispielsweise unter Verwendung eines Zufallsgenerators, über die Werkstückoberfläche 12 geführt wird. Es ist jedoch auch eine gleichmäßige Anordnung der Stellen 13 möglich.When using the material, make sure that hardenable light metal alloys, including titanium, are used. For generating the laser beam, a pulsed laser can be used, the beam of which is set to the desired size a of the positions and which, according to a predetermined program, for example using a random generator, over the workpiece surface 12 to be led. However, it is also a uniform arrangement of the bodies 13 possible.

2 zeigt in sehr starker Vergrößerung eine Härtestelle 13a, die mittels eines defokussierten Lasers erzeugt wird. Der Laserstrahl hat dabei eine rohrförmige Intensitätsverteilung, so dass er bei seinem Auftreffen auf die Oberfläche 12 durch Verdampfen eine ringförmige Rinne 14 schafft, in deren Mitte ein im wesentlichen auf dem Niveau der Oberfläche 12 liegender „Stempel” 15 stehen bleibt. Diese auch als Ringkrater zu bezeichnende Ringrinne 14 sorgt für eine gute Ölhaltung. Im Umkreis um die Ringrinne 14 bilden sich sowohl auf der Außenseite als auch auf der Innenseite, d. h. auf dem „Stempel” Zonen 16, die bei Verwendung eines hartbaren Basismaterials 21 eine größere Härte haben als der Basiswerkstoff 21, der sie umgibt bzw. von ihnen umgeben wird. Es sollte aber darauf geachtet werden, dass die größten Abmessungen der Stellen bzw. Zonen größerer Härte nicht zu groß werden, insbesondere bei Linienstrukturen, weil dann Rissgefahr besteht. 2 shows a hardening point in very high magnification 13a , which is generated by means of a defocused laser. The laser beam has a tubular intensity distribution, so that when it hits the surface 12 by evaporation an annular groove 14 creates, in the middle of a substantially at the level of the surface 12 lying "stamp" 15 stop. This ring trough also known as ring crater 14 ensures a good oil attitude. Around the ring groove 14 form on the outside as well as on the inside, ie on the "stamp" zones 16 when using a hardenable base material 21 have a higher hardness than the base material 21 that surrounds or is surrounded by them. However, it should be ensured that the largest dimensions of the points or zones of greater hardness are not too large, especially in line structures, because then there is a risk of cracking.

Nach der Bildung der härteren Stellen 13 werden diese durch eine mechanische oder chemische Behandlung frei gelegt, d. h. die verbleibende Oberfläche 12 wird etwas abgetragen. Dies wird vorzugsweise durch eine Honbearbeitung durchgeführt, die aufgrund der Verfahrensweise und/oder Werkzeugbeschaffenheit von dem weicheren Basismaterial 21 mehr abträgt als von den härteren Stellen 13. Diese werden dabei jedoch geglättet, so dass sie in ihrer Gesamtheit eine relativ glatte und harte Tragstruktur bilden, die mit einer auf ihr gleitenden Gegenfläche, beispielsweise einem Kolben bzw. dessen Kolbenringen, in verschleißarmer Weise zusammen arbeitet. Dabei sorgen die etwas zurückgesetzten Abschnitte der Oberfläche 12 für eine gute Haltung eines Schmiermittels. Die entsprechenden Werkstückflächen sind also besonders für fluidgeschmierte Anwendung vorgesehen.After formation of harder places 13 These are exposed by a mechanical or chemical treatment, ie the remaining surface 12 something gets worn away. This is preferably done by a honing process, which due to the nature and / or tooling of the softer base material 21 removes more than from the harder places 13 , However, these are smoothed so that they form a relatively smooth and hard support structure in its entirety, which works together with a sliding on her counter surface, such as a piston or its piston rings in a low-wear manner. The slightly recessed portions of the surface take care of this 12 for a good attitude of a lubricant. The corresponding workpiece surfaces are thus provided especially for fluid-lubricated application.

Derartige Ringkanalstrukturen sind in der deutschen Patentanmeldung 101 31 703 vom 29.06.2001 der Anmelderin im einzelnen beschrieben. Auf diese wird wegen der Einzelheiten Bezug genommen.Such annular channel structures are in the German patent application 101 31 703 of 29.06.2001 the Applicant described in detail. These will be referred to for the details.

Während bei den Ausführungen nach 1 und 2 der Werkstoff in seiner Zusammensetzung unverändert blieb und nur die intermetallische Struktur durch die Wärmebehandlung geändert wurde, wird bei den Ausführungsformen, die anhand der 3 bis 7 beschrieben werden, auch die Zusammensetzungen der Werkstoffe geändert.While in the explanations after 1 and 2 the material remained unchanged in composition and only the intermetallic structure was changed by the heat treatment is in the embodiments, based on the 3 to 7 also changed the compositions of the materials.

3 und 4 zeigt eine Ausführung, bei der auf die Oberfläche 12 des Werkstücks 11 mittels Siebdruck, Tampondruck, Tintenstrahldruck o. dgl. ein Zusatzmaterial 18 in Form der sich später daraus bildenden Stellen 13 aufgebracht. Bei dem Zusatzmaterial handelt es sich um ein mit dem Basismaterial 21 des Werkstücks 11 eine intermetallische Verbindung, beispielsweise eine Legierung, eingehendes Material, also bei Leichtmetallen beispielsweise Kupfer, Nickel, Eisen, Silizium etc. Sofern das Basismaterial nicht selbst aus Titan besteht, ist Titan ein bevorzugter Zusatzwerkstoff. Dieses Zusatzmaterial wird in Form einer Paste aufgebracht, die das Material beispielsweise als Pulver enthalten kann, bevorzugt aber in Form eines entsprechenden Metallhydrids. 3 and 4 shows an embodiment in which on the surface 12 of the workpiece 11 by screen printing, pad printing, inkjet printing o. The like. An additional material 18 in the form of later forming bodies 13 applied. The additional material is one with the base material 21 of the workpiece 11 an intermetallic compound, for example an alloy, incoming material, ie light metals such as copper, nickel, iron, silicon, etc. If the base material does not itself consist of titanium, titanium is a preferred filler material. This additional material is applied in the form of a paste, which may contain the material, for example as a powder, but preferably in the form of a corresponding metal hydride.

Nach der punktuellen Aufbringung des Zusatzmaterials 18 wird die gesamte Werkstückoberfläche 12 mit einem Flächenlaser, z. B. (cw-Laser; continons wave, d. h. nicht gepulst) erwärmt. Dies kann beispielsweise ein CO2-Laser sein, der mit sehr großer Leistung in kürzester Zeit die gesamte Oberfläche erhitzt, so dass zumindest die mit Zusatzmaterial bewegten Stellen aufgeschmolzen werden. Je nach den Reflexions- bzw. Absorptionscharakteristika des Zusatzmaterials und der restlichen Oberfläche 12 (Basismaterial) kann dabei entweder nur das Zusatzmaterial aufgeschmolzen werden oder die gesamte Fläche. Im letzteren Fall erfolgt auch auf dieser Oberfläche eine gewisse, wenn auch geringere Härtung, weil die Abkühlung infolge der Großflächigkeit der Erhitzung nicht so schnell erfolgt. Auch kann das Basismaterial 21 so gewählt werden, dass es nicht in diesem Maße durch Wärme aushärtbar ist.After the punctual application of the additional material 18 becomes the entire workpiece surface 12 with a surface laser, z. B. (cw laser, continons wave, ie not pulsed) heated. This can be, for example, a CO 2 laser which heats the entire surface in a very short time with very high power, so that at least the points moved with additional material are melted. Depending on the reflection or absorption characteristics of the additive material and the remaining surface 12 (Base material) can be melted either only the additional material or the entire surface. In the latter case, there is also a certain, albeit lower, hardening on this surface, because the cooling does not take place as quickly as a result of the large-area heating. Also, the base material 21 be chosen so that it is not thermosetting to that extent.

An den Stellen 13 geht jedoch das Basismaterial 21 mit dem Zusatzmaterial 18 eine intermetallische Verbindung ein. 4 zeigt, dass diese intermetallische Phase in das Basismaterial über eine gewisse Tiefe hineinreicht. Je nach dem Aufschmelzungsgrad und den verwendeten Werkstoffen kann diese Umwandlungs- bzw. Legierungszone sehr unterschiedlich dick sein. Sie sollte eine Mindeststärke von 2 μm haben, kann aber auch wesentlich größer, z. B. bis 1 mm dick sein. Bevorzugt ist die Dicke 5 μm bis 200 μm. Die entsprechenden Werkstoffpaarungen werden so gewählt, dass sich durch die intermetallische Phase im Zusammenwirken mit der schnellen Erhitzung und Abkühlung an den Stellen 13 eine größere Härte einstellt.In the places 13 However, the base material goes 21 with the additional material 18 an intermetallic compound. 4 shows that this intermetallic phase extends into the base material over a certain depth. Depending on the degree of fusion and the materials used, this conversion or alloying zone can be very different in thickness. It should have a minimum thickness of 2 microns, but can also be much larger, z. B. to 1 mm thick. Preferably, the thickness is 5 microns to 200 microns. The corresponding material pairings are chosen so that the intermetallic phase in conjunction with the rapid heating and cooling at the points 13 sets a higher hardness.

Bei der anschließenden abtragenden Bearbeitung, wie sie anlässlich 1 und 2 beschrieben wurde, wird die restliche Oberfläche 12 durch Abtragen etwas zurück versetzt (siehe strichpunktierte Linie 12a in 4), so dass die Stellen 13 freigelegt sind und so die gewünschte Tragpunktstruktur bzw. -matrix entsteht. Die Oberfläche 20 an den Stellen 13 wird dabei ebenfalls in ihrer Form und Oberflächenbeschaffenheit verbessert und es findet an den Randbereichen eine Entgratung statt. Infolge der größeren Härte bleiben die Stellen 13 jedoch als hervorstehende „Inseln” stehen.In the subsequent abrading processing, as on the occasion 1 and 2 has been described, the remaining surface 12 moved back slightly by ablation (see dash-dotted line 12a in 4 ), so the bodies 13 are exposed and so the desired support point structure or matrix is formed. The surface 20 in the places 13 It is also improved in its shape and surface finish and it takes place at the edge areas a deburring. Due to the greater hardness remain the bodies 13 but stand as protruding "islands".

Die Bedruckung mit dem Zusatzmaterial 18 (3) kann in beliebigen Schichtdicken erfolgen, die wesentlich dicker sein können als die spätere intermetallische Phase. Die Art der Bedruckung schafft praktisch unbegrenzte Möglichkeiten für dem Anwendungszweck angepasste Muster der Tragpunktstruktur. Bei der kurzzeitigen Erwärmung verdampfen die das Zusatzmaterial druckfähig machenden, z. B. pastösen Bestandteile des Druckmaterials.The printing with the additional material 18 ( 3 ) can take place in any desired layer thicknesses, which can be substantially thicker than the later intermetallic phase. The type of printing creates practically unlimited possibilities for the application purpose adapted patterns of the support point structure. In the short-term heating evaporate the additional material pressure-making, z. B. pasty components of the printing material.

Bei einigen Zusatzmaterialien oder auch Basiswerkstoffen kann es notwendig werden, bei der Erwärmung in Schutzgasatmosphäre zu arbeiten, um unerwünschte Oxidationserscheinungen, die bis zu einem Verbrennen des Zusatzmaterials führen können, zu vermeiden. Bei Verwendung von Metallhydriden, beispielsweise Titanhydrid, kann dies jedoch unter Umständen vermieden werden. Das Hydrid oxidiert nicht so stark und ist selbst reduzierend. Es entzieht aufgrund der reduzierenden Wirkung aus der Aluminiumoberfläche Sauerstoff und fördert die legierende Verbindung dorthin. Außerdem ist eine so bedruckte Oberfläche länger lagerfähig, ohne dass dort bereits Oxidationserscheinungen zu befürchten sind.at some additional materials or base materials may be necessary be, during the warming in a protective gas atmosphere to work to unwanted Oxidation phenomena leading to the burning of the additive material to lead can, to avoid. When using metal hydrides, for example Titanium hydride, but this may be avoided. The Hydride does not oxidize so much and is itself reducing. It withdraws due to the reducing effect of the aluminum surface oxygen and promotes the alloying connection there. Besides, one is so printed surface longer storable, without there already oxidation effects are to be feared.

Die 5 bis 7 zeigen schematisch eine Variante der Aufbringung. Dort wird die Oberfläche 12 vollflächig mit dem Zusatzmaterial 18 beschichtet, beispielsweise ebenfalls in Form einer aufgebrachten Paste. Es wird dann mit einem Laser, ähnlich wie in 1, an den Stellen 13 eine kurzzeitige Erwärmung/Aufschmelzung erzeugt, die die intermetallischen Phasen 21 entsprechend 4 entstehen lässt (6). Bei dem nachfolgenden Abtragen wird dann nicht nur das restliche, unverbrauchte Zusatzmaterial 18 abgetragen, sondern auch die Oberfläche 12 gegenüber der Oberfläche 20 der Stellen 13 zurückgesetzt (siehe 12a in 7). Diese Zurücksetzung (7) kann zwischen 0,1 μm und 2 μm, bevorzugt 0,2 μm bis 1 μm, betragen. Dieses Maß ist auch abhängig von den Abmessungen der Stellen 13.The 5 to 7 schematically show a variant of the application. There is the surface 12 full surface with the additional material 18 coated, for example, also in the form of an applied paste. It is then used with a laser, much like in 1 , in the places 13 a short-term heating / melting produces the intermetallic phases 21 corresponding 4 arises ( 6 ). In the subsequent removal is then not only the remaining, unused additional material 18 worn, but also the surface 12 opposite the surface 20 the bodies 13 reset (see 12a in 7 ). This reset ( 7 ) may be between 0.1 .mu.m and 2 .mu.m, preferably 0.2 .mu.m to 1 .mu.m. This measure is also dependent on the dimensions of the bodies 13 ,

Claims (19)

Verfahren zur Herstellung von verschleißarmen Werkstückflächen, insbesondere von fluidgeschmierten Leichtmetall-Zylinderflächen von Kolben-Kraft- und Arbeitsmaschinen mit einer im Wesentlichen glatten Oberfläche, in der über die Oberfläche (12) singulär verteilt gegenüber einem Leichtmetall-Basismaterial (21) härtere Stellen (13) vorgesehen sind, die ggf. über das Basismaterial (21) vorstehen, dadurch gekennzeichnet, dass die härteren Stellen (13) durch auf sie ausgerichtete Änderungen der intermetallischen Struktur des Basismaterials (21) erzeugt werden, wobei der Flächenanteil der auf der Oberfläche (12) vorgesehenen Stellen (13) im Vergleich zu der restlichen Oberfläche 5% bis 50% beträgt.Method for producing low-wear workpiece surfaces, in particular of fluid-lubricated light metal cylindrical surfaces of Kol ben-Kraft- and working machines with a substantially smooth surface, in which over the surface ( 12 ) distributed singularly with respect to a light metal base material ( 21 ) harder places ( 13 ) are provided, which if necessary on the base material ( 21 ), characterized in that the harder places ( 13 ) by modifications of the intermetallic structure of the base material ( 21 ), wherein the surface portion of the surface ( 12 ) ( 13 ) is 5% to 50% compared to the remaining surface. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellen durch punktuelle Wärmung des Basismaterials (21), vorzugsweise durch einen Laserstrahl und anschließende schnelle Abkühlung, erzeugt werden, ggf. um eine durch einen Laserstrahl erzeugte Vertiefung (14) herum.A method according to claim 1, characterized in that the points by selective heating of the base material ( 21 ), preferably by a laser beam and subsequent rapid cooling, are generated, possibly around a depression ( 14 ) around. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellen (13) durch punktuelles Aufschmelzen erzeugt werden.Method according to claim 1, characterized in that the locations ( 13 ) are produced by selective melting. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellen (13) größerer Härte mittels eines Zusatzmaterials (18) erzeugt werden, das auf das Basismaterial (21) aufgebracht wird und durch kurzzeitige Erwärmung eine intermetallische Phase (22) mit dem Basismaterial (21) bildet.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the locations ( 13 ) of greater hardness by means of an additional material ( 18 ) generated on the base material ( 21 ) is applied and by short-term heating an intermetallic phase ( 22 ) with the base material ( 21 ). Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzmaterial auf das Basismaterial (21) an den Stellen (13) punktuell aufgebracht wird und die intermetallische Phase (22) durch kurzzeitige Aufheizung der Werkstückoberfläche (12), vorzugsweise mit einem flächenüberstreichenden und/oder – erwärmenden Laserstrahl erzeugt wird.Method according to claim 4, characterized in that the additional material is applied to the base material ( 21 ) in the places ( 13 ) is applied selectively and the intermetallic phase ( 22 ) by brief heating of the workpiece surface ( 12 ), preferably with a surface-sweeping and / or - heating laser beam is generated. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzmaterial (18) großflächig auf die Oberfläche (12) aufgebracht wird und die Erwärmung punktuell, vorzugsweise mit einem Laserstrahl, vorgenommen wird.Method according to claim 4, characterized in that the additional material ( 18 ) over a large area on the surface ( 12 ) is applied and the heating is made selectively, preferably with a laser beam. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Bildung der intermetallischen Phasen eine Einlegierung des Zusatzmaterials (18) in das Basismaterial (21) erfolgt.Method according to one of claims 4 to 6, characterized in that with the formation of the intermetallic phases an alloying of the additional material ( 18 ) in the base material ( 21 ) he follows. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzmaterial (18) Kupfer, Nickel, Eisen, Silizium, bevorzugt Titan, ist.Method according to one of claims 4 to 7, characterized in that the additional material ( 18 ) Copper, nickel, iron, silicon, preferably titanium, is. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbringung des Zusatzmaterials (18) durch Siebdruck, Tampondruck, Tintenstrahldruck o. dgl. erfolgt.Method according to one of claims 4 to 8, characterized in that the application of the additional material ( 18 ) by screen printing, pad printing, ink jet printing o. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbringung des Zusatzmaterials (18) in Pulver- bzw. Pastenform und/oder in Form von Metallhydriden erfolgt.Method according to one of claims 4 to 9, characterized in that the application of the additional material ( 18 ) takes place in powder or paste form and / or in the form of metal hydrides. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung unter Schutzgas erfolgt.Method according to one of claims 2 to 10, characterized that warming under Shielding gas takes place. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Basismaterial (21) um die harten Stellen (13) herum geringfügig zurückgesetzt wird, so durch mechanisches oder chemisches Abtragen, wie Honen, Bürsten, Ätzen, Strahlbehandlung mit Hartpartikeln o. dgl., wobei ggf. überschüssiges, nicht mit dem Basisterial (21) in intermetallischer Verbindung stehendes Zusatzmaterial (18) mit abgetragen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the base material ( 21 ) around the hard spots ( 13 ) is slightly reset, so by mechanical or chemical removal, such as honing, brushing, etching, blasting with hard particles o. The like., Where appropriate, excess, not with the base ( 21 ) in intermetallic compound ( 18 ) is removed with. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass beim Abtragen die härteren Stellen (13) geglättet werden.A method according to claim 12, characterized in that the harder places ( 13 ) are smoothed. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellen (13) Abmessungen zwischen 2 μm und 1 mm, vorzugsweise 5 μm bis 200 μm, haben.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the locations ( 13 ) Have dimensions between 2 μm and 1 mm, preferably 5 μm to 200 μm. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Basismaterial (21) gegenüber den Stellen (1) zwischen 0,1 μm und 2 μm, vorzugsweise 0,2 μm bis 1 μm, zurückgesetzt wird.Method according to one of claims 12 to 14, characterized in that the base material ( 21 ) compared to the posts ( 1 ) between 0.1 .mu.m and 2 .mu.m, preferably 0.2 .mu.m to 1 .mu.m, is reset. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Härte der Stellen (13) gegenüber dem Basismaterial (21), bei Messung nach Vickers, um wenigstens das 1,5-fache, vorzugsweise mehr als das 3-fache, gesteigert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the hardness of the points ( 13 ) compared to the base material ( 21 ), when measured according to Vickers, by at least 1.5 times, preferably more than 3 times, is increased. Verschleißarme Werkstückfläche, insbesondere fluidgeschmierte Leichtmetall-Zylinderfläche von Kolben-Kraft- und Arbeitsmaschinen mit einer im Wesentlichen glatten Oberfläche, in der über die Oberfläche (18) verteilt gegenüber einem Leichtmetall-Basismaterial (21) härtere Stellen (13) vorgesehen sind, die ggf. über das Basismaterial (21) vorstehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellen (13) eine vom Basismaterial (21) unterschiedliche intermetallische Struktur aufweisen, wobei der Flächenanteil der auf der Oberfläche (12) vorgesehenen Stellen (3) im Vergleich zu der restlichen Oberfläche 5% bis 50% beträgt.Low-wear workpiece surface, in particular fluid-lubricated light metal cylinder surface of piston-power and work machines with a substantially smooth surface, in which over the surface ( 18 ) distributed over a light metal base material ( 21 ) harder places ( 13 ) are provided, which if necessary on the base material ( 21 ), characterized in that the locations ( 13 ) one of the base material ( 21 ) have different intermetallic structure, wherein the surface portion of the surface ( 12 ) ( 3 ) is 5% to 50% compared to the remaining surface. Werkstückfläche nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellen (13) eine andere intermetallische Zusammensetzung, vorzugsweise eine andere Legierungsform aufweisen.Workpiece surface according to claim 17, characterized in that the points ( 13 ) have another intermetallic composition, preferably a different alloy form. Werkstückfläche nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellen (13) eine in das Basismaterial (21) hineinreichende Dicke zwischen 2 und 1000 μm, vorzugsweise 5 bis 200 μm aufweisen und/oder eine dem Anwendungszweck angepasste Form haben, die vorzugsweise in sich geschlossene Muster sind und insbesondere Ölhalte-Vertiefungen enthalten bzw. abgrenzen.Workpiece surface according to claim 17 or 18, characterized in that the points ( 13 ) one in the base material ( 21 ) between 2 and 1000 .mu.m, preferably 5 to 200 .mu.m, and / or have a shape adapted to the intended use, which are preferably self-contained patterns and in particular contain or delimit oil-holding depressions.
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